Ректификационная колонна непрерывного действия

Федеральное агентство  по образованию Российской Федерации

Томский политехнический  университет

 

 

 

 

 

 

 

Химико-технологический факультет

 

Кафедра общей химической технологии

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по курсу

«Процессы и  аппараты химической технологии»

Ректификационная колонна непрерывного действия.

Вариант №.

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр.                                                                  

                                                                                               

 

 

 

 

 

 

Проверил:

Преподаватель                                                                      

 

 

 

 

 

 

Томск 2007

СОРДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................ с. 3

 

Задание.................................................................................................. с. 5

 

1. Технологический расчёт................................................................... с. 6

 

2. Определение геометрических размеров.......................................... с. 12

 

3. Гидравлический расчёт.................................................................... с. 15

 

4. Тепловой расчет................................................................................         с. 17

 

5. Расчет тепловой  изоляции...............................................................         с. 19

 

6. Конструктивно-механический  расчёт............................................ с. 20

 

Заключение........................................................................................... с. 24

 

Литература……………………………………………………………          с. 25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификацией называется массообменный процесс разделения жидких гомогенных смесей летучих компонентов  путем многократного последовательно повторяющихся процессов испарения и конденсации.

Для практической реализации такого процесса необходимым условием является то, что паровая и жидкая фазы до вступления в контакт между собой должны находиться в неравновесном состоянии. Поскольку давление для фаз остается одинаковыми постоянным, то, следовательно, температуры фаз должны быть разными. При контакте между фазами происходит теплообмен: температура пара выше температуры жидкости, следовательно, пар конденсируется и отдает свое тепло жидкости, которая в свою очередь испаряется. В результате такого тепломассообмена образующийся пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим компонентом. Так как система стремится к равновесию, то температуры образующихся паров и жидкости выравниваются.

Подобное многократное контактирование паров и жидкости на практике осуществляют в ректификационных колоннах, объем которых заполнен контактными устройствами для формирования поверхности контакта фаз. как правило, ректификационные колонны действуют по принципу противотока в целом по всему аппарату, в то время как на каждом отдельном участке формирования поверхности контакта фаз, схемы взаимодействия фаз могут быть самыми разнообразными. Для обеспечения неравновесных состояний пара и жидкости в нижнюю часть колонны (куб) подводится теплота, а в верхней части колонны теплота отбирается (дефлегматор). Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси приведена на рис. 1.1.

Исходная смесь, с содержанием  низкокипящего компонента Х_f в количестве F поступает на питающую тарелку (эвапорационное пространство) с температурой t_f. На питающей тарелке происходит процесс однократного испарения (ОИ), в результате которого образуется паровая фаза, обогащенная НК и жидкая фаза, обогащенная ВК. Жидкая фаза стекает с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны, где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар подается вниз колонны и движется навстречу стекающей жидкости. На всем пути происходит тепломассообмен между паром и жидкостью, т.к. поступающий на каждую тарелку пар имеет температуру выше, чем жидкость, поступающая на эту тарелку сверху. В результате массообмена на выходе из колонны пар дистиллята содержит главным образом низкокипящий компонент, а жидкость в кубе колонны - в основном высококипящий компонент.

Выходящий пар дистиллята из колонны  подвергается процессу дефлегмации с дальнейшим разделением потока на продукт (Р) с содержанием НК Х_р и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК Х_ф. Флегма подается на орошение колонны сверху. Высокое содержание НК в потоке флегмы предопределяет, что в верхней части колонны (от питающей тарелки вверх) происходит, главным образом, укрепление паровой фазы низкокипящим компонентом. По этой причине верхняя часть колонны называется укрепляющей или концентрационной. Нижняя часть колонны (от питающей тарелки вниз) называется исчерпывающей или отгонной частью, поскольку именно в этой части происходит основной отгон НК из жидкости в пар. В самом общем случае орошение колонны флегмой может осуществляться по разным вариантам.

Однако с целью упрощения  расчетов в данных методических указаниях предлагается следующий вариант орошения:  пар дистиллята состава  У_G поступает в дефлегматор,  где происходит  его полная конденсация и затем  образующийся  конденсат разделяется  на  два  потока: горячая флегма подается на орошение, а оставшаяся часть конденсата, пройдя через холодильник, выводится из установки и поступает в виде готового продукта Р с содержанием НК Х_р в рефлюксную емкость. Исходная смесь в количестве F с содержанием НК Х_f может подаваться на питающую тарелку в колонну в различных состояниях и при различной температуре. Чаще всего исходная смесь предварительно подогревается в теплообменнике до температуры кипения и подается в виде кипящей жидкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1. Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарных

смесей.

1 - ректификационная колонна; 2 - подогреватель исходной смеси; 3 - дефлегматор; 4 - кипятильник (куб)  колонны; 5 - теплообменник

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по ПиАХТ на тему:

 

«Ректификационная колонна  непрерывного действия»

 

Произвести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для  разделения смеси метанол-вода, производительность по исходной смеси

G_f = 5500кг/час. Тип колонны – насадочная.

Содержание НК в смеси:

 

 

 

 

Давление греющего пара .

Исходная смесь подогревается  в подогревателе исходной смеси  от температуры 12^ос до температуры кипения при рабочем давлении в аппарате 0,1 МПа. Смесь поступает в колонну при температуре кипения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

 

1. Исходные данные

 

Смесь: метанол - вода

F = 5500кг/час=1,53кг/с  -производительность колонны по исходной смеси;

x_f = 0,15 -содержание НК в исходной смеси;

x_p = 0,98 -содержание НК в продукте;

x_w = 0,03 -содержание НК в кубовом остатке;

П = 10⁵ Па -давление в колонне;

    - давление греющего пара в испарителе;

    - молярная масса метанола;

    - молярная масса воды.

 

 

1.2 Перечень допускаемых упрощений

 

С целью упрощения  расчетов процесса ректификации допускается  принимать следующие допущения:

1. Вследствие того, что удельные  мольные теплоты испарения неограниченно растворимых друг в друге компонентов смеси достаточно близки между собой, то принимается, что паровая и жидкая фазы в результате контактного тепломассообмена обмениваются между собой веществами в эквимолекулярном соотношении. Из этого следует, что мольные расходы фаз по высоте укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны не изменяются.

2. Укрепляющим действием дефлегматора  пренебрегается и считается, что состав пара дистиллята, выходящего из колонны, составы флегмы и продукта равны между собой, т.е.:

                                           

3. Составы жидкости  и пара в кубе колонны равны  между собой, т.е.:

                                                           

4. Удельные мольные  теплоты смешения компонентов  незначительны и ими можно пренебречь.

 

1.3 Материальный  баланс

 

Производительность колонны  по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из

уравнений материального  баланса колонны:

 

 

Отсюда находим:

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных  долях [2, табл. 6.2]:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

 

1.4 Построение фазовых диаграмм

 

С целью проведения дальнейших материальных расчетов требуется построение линии  равновесия и t-x-y диаграммы.

Линией равновесия называется графическое  изображение зависимости . Для идеальных смесей расчеты и построение линий равновесия возможны аналитически. Для этого весь интервал температур от температуры кипения ВК до температуры кипения НК (при заданном давлении П) разбивают на ряд интервалов и для каждого значения температуры по справочнику находят соответствующие давления насыщенных паров чистых компонентов Р_i⁰. Затем, используя закон Дальтона, а именно:

находят соответствующие  значения равновесных концентраций жидкости Х_нк:

После этого по уравнению 

рассчитывают равновесный  состав пара У_нк^*. Обычно расчеты проводят в табличном варианте.

Для смеси метанол-вода рассчитаем и построим линию равновесия при общем давлении П=760 мм.рт.ст.

1. Определяем температуры  кипения метанола и воды при П=760 мм.рт.ст.

t_кип.М= 64,5⁰С - низкокипящий компонент НК

t_кип.В.=100⁰С - высококипящий компонент ВК

Следовательно, линия  равновесия будет выражать зависимость  содержания метанола в паре (У_М^*) от его содержания в жидкости (Х_М), т.е. У_М^*=f(Х_М).

2. Разбиваем интервал  температур от 64,5⁰С до 100⁰С на ряд мелких интервалов. Необходимо отметить, что чем меньше шаг, тем выше точность построения. Обычно рекомендуется не менее десяти внутренних интервалов.

3. По справочным данным для соответствующих температур находим давления насыщенных паров метанола и воды и производим расчет.

 

Таблица 1.1

Расчет равновесных  составов паровой и жидкой фаз

смеси метанол - вода

t,0C
	мольные доли
64,5	1	1
66,0	0,9	0,958
67,5	0,8	0,915
69,3	0,7	0,870
71,2	0,6	0,825
73,1	0,5	0,779
75,3	0,4	0,729
78,0	0,3	0,665
81,7	0,2	0,579
87,7	0,1	0,418
91,2	0,06	0,304
93,5	0,04	0,230
96,4	0,02	0,134
100,0	0	0

 

Графическое изображение расчетной линии равновесия приведено на рис. 1.1.

 

1.5 Диаграмма t-x-y бинарной смеси

 

Данная диаграмма представляет собой совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз (таблица 1.1). Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости (рис.1.2). Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У^*. Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации) рис.1.2.

Диаграмма t-х-у является основой для технологического расчета процессов разделения жидких смесей ректификацией, поскольку с ее помощью по известным значениям составов паров и жидкостей в любой точке аппарата определяются значения локальных температур, а так же решается обратная задача.

 

1.6 Определение  рабочего флегмового числа

 

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_ОПТ можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_ОПТ используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) . Здесь Rmin— минимальное флегмовое число:

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

       - концентрация легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент  избытка флегмы, при котором достигается  оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3.

Определим R по этому методу. По рис. 1 [Приложение 1] при . Определим Rmin:

- относительный мольный расход  питания.

Уравнения рабочих линий:

- Укрепляющая часть  колонны:

- Исчерпывающая часть колонны:

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней  и нижней частей колонны определяют из соотношений:

 

где и — мольные массы дистиллята и исходной смеси;

      и — средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной  массе легколетучего компонента — метанол. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны: